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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la version actualisée de l’article E1165 intitulé « Matériaux composites en électromagnétisme. Matériaux chargés, matériaux électroniques et métamatériaux » rédigé par Alain PRIOU et paru en 2009.
RÉSUMÉ
Cet article présente des matériaux composites électromagnétiques à structures aléatoires et les différentes méthodes de modélisation qui s’appliquent à ces matériaux en fonction de leur composition. Ensuite sont abordés les matériaux artificiels à structure périodique, les métamatériaux, ainsi que les cristaux photoniques en commençant par les matériaux bidimensionnels, les surfaces sélectives en fréquence, les surfaces à haute impédance et les métasurfaces, puis les structures tridimensionnelles.
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Alain PRIOU : Professeur des universités - Directeur du Groupe d'électromagnétisme appliqué - Université Paris Ouest Nanterre-La Défense
INTRODUCTION
À partir des lois de Faraday et d'Ampère pour la magnétostatique et l'électrostatique, Maxwell a établi, en 1873, les équations dites de Maxwell qui sont une extension à l'espace et au temps des lois précédentes. Ces lois ont été vérifiées par Hertz en 1888 et, en 1905, A. Einstein, dans sa théorie de la relativité, montre toute l'élégance et la rigueur de la théorie de Maxwell.
Après avoir rappelé les lois de Maxwell avec les grandeurs fondamentales et la modélisation de couches homogènes, nous présenterons l'analogie entre les matériaux et les circuits électroniques, ce qui nous conduira à définir deux concepts de réalisation de matériaux pour l'électromagnétisme. Le premier, ou approche matériau, se rapporte à la réalisation de matériaux composites issus de mélanges de divers éléments et qui contiennent les paramètres constitutifs ε et µ, positifs ou négatifs ou positif/négatif ou négatif/positif. Le second concept, ou approche structurée qui consiste à la mise en réseau périodique d'inclusions ou d'agrégats (diélectriques, conducteurs ou métalliques). Cette dernière approche permettra de définir et de réaliser des matériaux électroniques et des métamatériaux à propriétés remarquables qui n'existent pas dans la nature. Dans chaque cas, nous aborderons les aspects de la modélisation et donnerons les applications spécifiques et principales en hyperfréquence.
Les matériaux composites en électromagnétisme font l'objet de plusieurs articles :
Matériaux composites en électromagnétisme- Matériaux chargés, matériaux électroniques et métamatériauxE1165 : Matériaux chargés, matériaux électroniques et métamatériaux
E1166 Matériaux absorbants radar
E1167 Caractérisation des matériaux composites
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres articles.
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MOTS-CLÉS
matériau composite métamatériau métasurface surfaces sélectives en fréquence surface à haute impédance
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- Version courante de oct. 2018 par André DE LUSTRAC
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2. Analogie matériaux et circuits électroniques. Approche des métamatériaux
À partir des éléments précédents, nous pouvons tracer le diagramme µ-ε et celui des indices n des matériaux homogènes.
Sur la figure 4, qui a été donnée la première fois par Caloz et al et qui est reprise dans bien des publications et des présentations sur les métamatériaux, on distingue quatre régions correspondant aux quatre combinaisons de signe pour ε etµ :
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Région I, la plus connue, où se situe l'ensemble des diélectriques, des magnétiques non aimantés, qu'ils soient isotropes ou anisotropes. Cette région peut comporter des milieux composites homogènes et est gouvernée par des permittivités et des perméabilités complexes positives.
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Région II, avec ε < 0 et µ > 0, l'indice est alors négatif. Cette région décrit principalement les plasmas fonctionnant en dessous de la fréquence de plasma électrique et les métaux aux fréquences optiques. C'est le domaine des milieux gyroélectriques c'est-à-dire des plasmas électroniques où un champ magnétique transverse externe est appliqué. Le milieu devient anisotrope en permittivité. On démontre que, dans ce cas, les seules ondes pouvant se propager sont des ondes à polarisation circulaire droite et gauche. Une des permittivités circulaires présente, par ailleurs, une permittivité négative, comme dans le cas décrit par Von Hippel dans ses modèles de schémas électriques équivalents . En dehors de ce fonctionnement associé avec un champ externe, seules des ondes évanescentes peuvent prendre naissance (voir ...
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Analogie matériaux et circuits électroniques. Approche des métamatériaux
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ANNEXES
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Métamatériaux :
* - http://physicsweb.org/articles/world/16/5/3/
* - http://www.cmth.ph.ic.ac.uk/photonics : site de l'Impérial Collège, Centre de Photonics, UK
* - http://physics.ucsd.edu/ : site de D. Smith, UCSD, USA
* - http://www.brl.ntt.co.jp/people/notomi/ : site de NTT, Japon, Photonic Nanostructures Research Group.
* - http://cmpweb.ameslab.gov/personnel/soukoulis : site de C. Soukoulis à AMES Lab, USA
* - http://www.iesl.forth.gr/ site du projet européen DALHM : Development and analysis of LHMaterials, IST project, IST-2001-35511, Grèce.
* - http://www.metamorphose-vi.org/ : site du Virtual Institute for Artificial EM materials and Metamaterials, METAMORPHOSE VI AISBL., Réseau d'Excellence Européen, Europe.
* - http://www.rayspan.com/technology/default.html : site de Rayspan Corporation
* - http://www.netgear.com/About/PressReleases/en6US/2008/2080106b.aspx
* - http://www.ese.upenn.edu/˜engheta/ : site de N. Engheta à l'université de Pennsylvanie, USA
* - http://www.mwlab.ee.ucla.edu/, et http://www.mwlab.ee.ucla.edu/posters.html :...
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